数字系统设计基础 (8)
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优选第十二章数字系统设计基础
T3: R←0 ; 用助记符表示为:CLR R控制命令。
（2）判断框
0
分支
1 条件
0
1
条件
分支
分支
分支
图12.3.8 判断框
判断框表示判断变量对控制器的影响，因此判断 框中的条件通常为处理器的状态信号或外部输入控制 信号。
T1 T1
0×
11
X1 X2
10
0
X1
1
T2
0
X2 1
T2
T3
T4
T3
T4
C
A
X 组合电路
Z C
T
S
控制器
图 11.3.3 系统结构图 图12.3.6 算法流程图
A←0,C ←0
1
0
X<0
A←A-X
A←A+X
1Leabharlann 0X<0A←A-X
A←A+X
1
0
X<0
A←A-X C ←1
A←A+X C ←1
举例：累加器是适合于进行多次运算的电路，其结构图
如下图所示。若图中的组合电路由加法器构成，则该累加 器用来实现多个数的相加求和。
图 12.3.13 等效 状态转移图
状态转移图只能表述控制器状态转移情况，但无法表示处理器 完成何种操作以及输出变量为何值。
例1：一个数字系统的数据处理器有2个触发器E和F及
1个二进制计数器A，计数器的各个位分别用A4、A3、 A2、A1标记，A4为最高位，A1为最低位。启动信号S使 计数器A和触发器F清“0”，从下一个时钟脉冲开始， 计数器增1，一直到系统停止工作为止。
第三种方法:系统中只有一个 寄存器A存放计算结果,算法 变的更复杂,其系统结构图和 流程图如图12.3.3和图 12.3.4所示:
（2）判断框
0
分支
1 条件
0
1
条件
分支
分支
分支
图12.3.8 判断框
判断框表示判断变量对控制器的影响，因此判断 框中的条件通常为处理器的状态信号或外部输入控制 信号。
T1 T1
0×
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X1 X2
10
0
X1
1
T2
0
X2 1
T2
T3
T4
T3
T4
C
A
X 组合电路
Z C
T
S
控制器
图 11.3.3 系统结构图 图12.3.6 算法流程图
A←0,C ←0
1
0
X<0
A←A-X
A←A+X
1Leabharlann 0X<0A←A-X
A←A+X
1
0
X<0
A←A-X C ←1
A←A+X C ←1
举例：累加器是适合于进行多次运算的电路，其结构图
如下图所示。若图中的组合电路由加法器构成，则该累加 器用来实现多个数的相加求和。
图 12.3.13 等效 状态转移图
状态转移图只能表述控制器状态转移情况，但无法表示处理器 完成何种操作以及输出变量为何值。
例1：一个数字系统的数据处理器有2个触发器E和F及
1个二进制计数器A，计数器的各个位分别用A4、A3、 A2、A1标记，A4为最高位，A1为最低位。启动信号S使 计数器A和触发器F清“0”，从下一个时钟脉冲开始， 计数器增1，一直到系统停止工作为止。
第三种方法:系统中只有一个 寄存器A存放计算结果,算法 变的更复杂,其系统结构图和 流程图如图12.3.3和图 12.3.4所示:
数字系统基础
1.3 二进制数
一个二进制位只允许我们描述两种可能的值,所以单个二进制变量本 身的应用是很有限的。但是，我们可以用一组二进制位来描述较为 复杂的情形。设有四个独立的二进制位( b i t )，这四位数分别标识
为a3，a2，a1，a0。每个数据位ai有两个可能的值，0和1，其 中i= 0 , 1 , 2 , 3。这样我们就可以构造出一段4 b i t的数据d a t
用单元作为构造模块的概念称为层次设计。
数字网络的设计有两个不同的方法：
• 自顶向下设计。此方法首先确定大规模系统的技术要求，然 后选择构造系统所需的单元。这些单元可能很复杂，并且通常 由较小的、更基本的单元组成。 • 自底向上设计。正好与自顶向下设计相反。此方法用基本的单元
构成比较复杂的单元，较复杂的单元又为更为复杂的功能的实现提 供基础。
第8页，本讲稿共28页
电子电路
硬件这一术语表示的是数字系统的物理构成。数字系统的物理实 现是用电子器件来完成的。而电子器件用实现逻辑运算的方式控 制着电路中电流的流向。这是数字网络在日常生活中人们最熟悉 的形式。比如，当提及计算机系统时，我们通常想象到的是一块 电子器件。 实际的数字系统是用数字逻辑设计的，其硬件是用电子器件来实现 的。这些概念的融合起来加以理解是很重要的，因为它表明了理论 如何用于构造实际的系统。
第7页，本讲稿共28页
数字系统可以用十分明确定义的层次级别的集合来描述
逻辑网络
数字逻辑网络是以二进制数制的行为为基础的。由于二进 制变量实际上可以用来表示任何数据集，因此用二进制来 描述任何数字网络是可能的。例如，可以用二进制数来表 示音频的音迹(比如在C D中)、物理计算中的科学数字、 基因代码、星系信息或用于古埃及废墟中考古发掘发现的 分类，等等。可以用二进制来描述的场合是无穷无尽的。 虽然这在开始时听起来有一点抽象，但我们将很快学会如 何用二进制数来描述逻辑网络，以代替用代数类型描述的 方法。
数字系统设计基本方法(上课用)
符号为菱形，块内 给出判别变量和判别条 件。判别条件满足与否， 决定系统下一步将进行 不同的后续操作。
00
F D0
.A1 A0 10
01
F D1 F D2
Cp
CNT
M=3
D0
D1 D2
MUX
F
D3
条件块：
条件块为一带横杠的矩 形块。条件块总是源于判别 块的一个分支，仅当该分支 条件满足时，条件块中标明 的操作才被执行，而且是立 即被执行。
数字系统设计基本方法
简介：
传统数字电路设计方法不适合设计大规模
的电子系统。
新器件的发展使现代电子系统的设计思想
发生了深刻的变化，即从功能电路设计转向系
统设计；从传统的通用集成电路的应用转向可
编程逻辑器件的应用；从硬件设计转向硬件、
软件高度渗透的设计，大大拓宽了数字技术的
知识面和数字系统的设计能力。
提高设计生产的效率： 自顶向下的设计方法允许设计者从一个高
抽象层次上对系统的功能进行定制，而不需要 考虑门级的具体实现方法，这充分体现了工艺 无关性的基本设计思想。设计者只需要写出设 计中所需部件的硬件描述语言代码或者是其它 类型的模型，设计工具就会根据编写的高层描 述生成门级的实现，这就大大减少了设计者以 往必须花费在设计细节上的时间。
专用集成电路（ASIC－Application Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险大
可编程器件PLD：开发周期短，投入小，风险小
PLD器件的优点
集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片
极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性
具有完善先进的开发工具
00
F D0
.A1 A0 10
01
F D1 F D2
Cp
CNT
M=3
D0
D1 D2
MUX
F
D3
条件块：
条件块为一带横杠的矩 形块。条件块总是源于判别 块的一个分支，仅当该分支 条件满足时，条件块中标明 的操作才被执行，而且是立 即被执行。
数字系统设计基本方法
简介：
传统数字电路设计方法不适合设计大规模
的电子系统。
新器件的发展使现代电子系统的设计思想
发生了深刻的变化，即从功能电路设计转向系
统设计；从传统的通用集成电路的应用转向可
编程逻辑器件的应用；从硬件设计转向硬件、
软件高度渗透的设计，大大拓宽了数字技术的
知识面和数字系统的设计能力。
提高设计生产的效率： 自顶向下的设计方法允许设计者从一个高
抽象层次上对系统的功能进行定制，而不需要 考虑门级的具体实现方法，这充分体现了工艺 无关性的基本设计思想。设计者只需要写出设 计中所需部件的硬件描述语言代码或者是其它 类型的模型，设计工具就会根据编写的高层描 述生成门级的实现，这就大大减少了设计者以 往必须花费在设计细节上的时间。
专用集成电路（ASIC－Application Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险大
可编程器件PLD：开发周期短，投入小，风险小
PLD器件的优点
集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片
极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性
具有完善先进的开发工具
第8章数字系统设计基础PPT课件
1. 加法器：74283
2. M，Q，A：寄存器 型号 74194 位数：4
3. C：D 触发器
4. CNT：计数器 型号 74163 功能：清0，计数
功能：
3.ASM 图 控制信号 S1：启动信号 S2：寄存器 Q 的 Q0 位 S3：计数器的溢出信号
4. 控制器
CLR、ADD 和 SHIFT 作 为对处理器发出的命令
当乘数的第 i 位为 0 时，第 i 位的部分积为被乘数左移 i–1 位。
【例1】
【例 1】 的M：被乘数寄存器 Q：乘数寄存器 A：累加器 C：进位寄存器 CNT：计数器
CAQ串联得到 2 r +1位的右移 位寄存器
算法：被乘数不动，部 分积之和向右移动。
5. 处理器的实现的实现（以4×4为例） 操作表
寄存器 M 控制用手动开关，寄存器 Q 的 M1 控制用手动开关
操作函数 从处理器操作表得： 寄存器A：M1=ADD + CLR；M0=ADD + CLR + SHIFT
与门G2：B1= CLR 与门G1：B0 = ADD 寄存器Q：M0 = SHIFT 计数器 CNT：CR = CLR；SH = SHIFT
8.4.1 简单计算机构成 1. 功能：(1)加法运算，(2)数据存取，(3)手动输入程序 2. 存储器：存储容量 268RAM；地址 6位；数据线 8位 3. CPU：4条指令：存数、加法、取数、条件转移。
4、计算机逻辑图
说明：(1)当k=1时，运行程序； (2)当k=0时，手动输入程序和数据到RAM中。 (3)当reset 端输入一个负脉冲时，程序开始运行。
8.4.2 CPU设计
1、基本设想： (1).IR为指令寄存器
ch81数字系统设计PPT课件
3，8 COM
（b）
12
数字系统设计
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD f g a b c d e
CD4511 B C LT BI LE D A VSS 12 3 4 5 6 7 8
（a）
输入
显示
LE BI LT D C B A
L H H LLLL
0
L H H L L LH
1
L H H L LHL
输出低电平电流
VIH(min) VIL(max) VOH(min) VOL(max) IIH(max) IIL(max) IOH(max)
IOL(max)
传输延迟时间
tpd
2V 0.8V 2.7V 0.5V 20μA －0.4mA 0.4mA －8mA
15nS
3.5V 1.5V 4.6V 0.05V 0.1μA －0.1μA 0.51 mA
T
1 0 1－ 03
R 12R 2C 1ln 20. 3 1－ 3 0 6 0 .74k Ω 3
取R2=15kΩ，则R1=13kΩ，由9.1kΩ 固定电阻和10kΩ可变电阻组成。
7
数字系统设计
分频电路
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD CR CP1NH CO Q9 Q4 Q8
CD4017 Q5 Q1 Q0 Q2 Q6 Q7 Q3 VSS 12 3 4 56 7 8
CD4518 1CP 1EN 1Q0 1Q1 1Q2 1Q3 1CR VSS 12 3 45 6 7 8
个位计数器输出
10Hz信号输入
清零信号输入
11
数字系统设计
g f COM a b 10 9 8 7 6
a
（b）
12
数字系统设计
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD f g a b c d e
CD4511 B C LT BI LE D A VSS 12 3 4 5 6 7 8
（a）
输入
显示
LE BI LT D C B A
L H H LLLL
0
L H H L L LH
1
L H H L LHL
输出低电平电流
VIH(min) VIL(max) VOH(min) VOL(max) IIH(max) IIL(max) IOH(max)
IOL(max)
传输延迟时间
tpd
2V 0.8V 2.7V 0.5V 20μA －0.4mA 0.4mA －8mA
15nS
3.5V 1.5V 4.6V 0.05V 0.1μA －0.1μA 0.51 mA
T
1 0 1－ 03
R 12R 2C 1ln 20. 3 1－ 3 0 6 0 .74k Ω 3
取R2=15kΩ，则R1=13kΩ，由9.1kΩ 固定电阻和10kΩ可变电阻组成。
7
数字系统设计
分频电路
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD CR CP1NH CO Q9 Q4 Q8
CD4017 Q5 Q1 Q0 Q2 Q6 Q7 Q3 VSS 12 3 4 56 7 8
CD4518 1CP 1EN 1Q0 1Q1 1Q2 1Q3 1CR VSS 12 3 45 6 7 8
个位计数器输出
10Hz信号输入
清零信号输入
11
数字系统设计
g f COM a b 10 9 8 7 6
a
数字系统设计的基础知识
统。
05
数字系统的测试与验证
测试策略与技术
单元测试
对数字系统的各个模块进行独立测试，确保 每个模块的功能正常。
系统测试
对整个数字系统进行测试，确保系统满足设 计要求和功能需求。
集成测试
将各个模块组合在一起进行测试，确保模块 之间的接口正常工作。
验收测试
在数字系统交付之前，对系统进行全面测试， 确保系统能够满足用户需求。
案例分析：数字钟的设计需要高精度的计时和稳定的时钟源。石英晶体振荡器的选择对数字钟的准确性 和稳定性至关重要。此外，数字钟还需要考虑功耗和尺寸，以便于在各种应用场景中实现。
案例三：数字信号处理系统的设计
01
总结词：高效灵活
02
详细描述：数字信号处理系统是一种用于处理和分析信号 的数字系统。它通常由输入预处理电路、数字信号处理器 和输出后处理电路组成。数字信号处理器执行信号的滤波 、频谱分析、去噪等处理操作。
数字系统的发展历程
电子管时代
20世纪初，电子管作为数字系统的基 本元件，实现了计算机的初步发展。
02
晶体管时代
20世纪50年代，晶体管取代电子管成 为数字系统的基本元件，推动了计算 机小型化、便携化的发展。
01
互联网时代
21世纪初，互联网技术的普及和发展， 使得数字系统在信息传输和处理方面 发挥着越来越重要的作用。
03
的计数器用于控制指令的执行顺序。
存储器
存储器是数字系统中用于存储大量二进制数据的元件。
存储器由多个存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位。
存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等类型，在计算 机和其他数字系统中有着广泛的应用，如计算机的内存和硬盘等。
05
数字系统的测试与验证
测试策略与技术
单元测试
对数字系统的各个模块进行独立测试，确保 每个模块的功能正常。
系统测试
对整个数字系统进行测试，确保系统满足设 计要求和功能需求。
集成测试
将各个模块组合在一起进行测试，确保模块 之间的接口正常工作。
验收测试
在数字系统交付之前，对系统进行全面测试， 确保系统能够满足用户需求。
案例分析：数字钟的设计需要高精度的计时和稳定的时钟源。石英晶体振荡器的选择对数字钟的准确性 和稳定性至关重要。此外，数字钟还需要考虑功耗和尺寸，以便于在各种应用场景中实现。
案例三：数字信号处理系统的设计
01
总结词：高效灵活
02
详细描述：数字信号处理系统是一种用于处理和分析信号 的数字系统。它通常由输入预处理电路、数字信号处理器 和输出后处理电路组成。数字信号处理器执行信号的滤波 、频谱分析、去噪等处理操作。
数字系统的发展历程
电子管时代
20世纪初，电子管作为数字系统的基 本元件，实现了计算机的初步发展。
02
晶体管时代
20世纪50年代，晶体管取代电子管成 为数字系统的基本元件，推动了计算 机小型化、便携化的发展。
01
互联网时代
21世纪初，互联网技术的普及和发展， 使得数字系统在信息传输和处理方面 发挥着越来越重要的作用。
03
的计数器用于控制指令的执行顺序。
存储器
存储器是数字系统中用于存储大量二进制数据的元件。
存储器由多个存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位。
存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等类型，在计算 机和其他数字系统中有着广泛的应用，如计算机的内存和硬盘等。
数字系统设计基本方法
数字系统设计方法
数字系统设计基础
…… ENTITY module B IS ……. END module B； ARCHITECTURE rtl OF module B IS COMPONENT module A PORT( datain: IN STD_LOGIC； dataout: OUT STD_LOGIC)； END COMPONENT； SIGNAL sig A: STD_LOGIC； SIGNAL sig B: STD_LOGIC； BEGIN U2: module A PORT MAP (sig A,sig B)； END rtl ；
数字系统设计方法
数字系统设计基础
1.3
系统结构选择
系统结构选择与算法设计有很大关系，不同的算法可以实
现同一个系统的功能。当然，同一个算法也可以用不同的系统
结构来实现。
FSM1 FSM3 数据寄存器 状态寄存器 数据寄存器 状态寄存器 数据寄存器 状态寄存器 FSM4 clk 系统时钟 FSM2
数据寄存器 状态寄存器
数字系统设计方法
数字系统设计基础
3 系统结构的选择和设计
模块 整体处理 状态机 部分处理 部分处理 … 子块1 子块3
更细的部 分处理
更细的部 分处理
更细的部 分处理
运 算 电 路
…
子块2
子块4
(a)
…
(b)
模块的水平结构和垂直结构 (a) 垂直结构；(b) 水平结构
数字系统设计方法
数字系统设计基础
时钟 状态 S3 100 20 S4 21 100
(A) (B)
并发处理实例
数字系统设计方法
数字系统设计基础
1．简单的前后合并处理 在前后两个状态中，如果处理是相对独立的，前面的操作
第7章数字系统设计基础(A改)资料
2018年10月25日7时47分 第 4页
第7章 数字系统设计基础
7.3 控制器的设计
控制器是时序逻辑网络，其设计依据是ASM图或状 态转移图。控制器设计有图形方式和文本方式两种。 1.以图形方式设计控制器 采用SSI电路法、MSI电路法、每态一个触发器法 —— 注意：应先得到控制器的时序逻辑表达式！ 2.以文本方式设计控制器 获ASM图后，可直接采用VHDL语言描述控制器。
第7章 数字系统设计基础
7.1 数字系统概述
7.2 数字系统设计的描述工具(4种)
7.3 控制器的设计 7.4 数字系统设计举例
采用超链接播放
第7章 数字系统设计基础
本章知识点及要求（8学时）
知识点一：数字系统概述 知识点二：寄存器传输语言 知识点三：ASM图 知识点四：数字系统设计举例 教学基本要求：
1.同步数字系统 (1)控制器和处理器同时由一个系统时钟控制； (2)输入信号都与系统时钟同步； (3)系统时钟同时到达所有存储元件的时钟脉冲 的输入端。
CP
现态 次态
有效边沿
图7.1.4 系统时钟脉冲波形
第15页
2018年10月25日7时47分
第7章 数字系统设计基础 ——7.1 概述 2.最小时钟周期 受系统响应时间的限制，存在TCP(min)。 3.异步输入信号转换成同步输入信号 (1)异步输入信号 早于或晚于当前系统时钟有效沿出现的输入信号。 (2)同步化处理的思路 ①将异步输入信号寄存； ②让同步化后的输入与当前系统时钟的有效时刻 同时出现，并保持一个时钟周期。 (3)同步化电路（以单脉冲电路为例）
优点： 可以继承使用经过验证的、成熟的部件与子系统， 利用真值表、卡诺图、逻辑方程、状态图和状态表等 从而可以设计重用，提高设计生产率。 工具进行分析和设计。 缺点：设计思想受控于现成可用的元件，不容易实现系统 化的、清晰易懂的以及可靠性高、可维护性好的设计。
第7章 数字系统设计基础
7.3 控制器的设计
控制器是时序逻辑网络，其设计依据是ASM图或状 态转移图。控制器设计有图形方式和文本方式两种。 1.以图形方式设计控制器 采用SSI电路法、MSI电路法、每态一个触发器法 —— 注意：应先得到控制器的时序逻辑表达式！ 2.以文本方式设计控制器 获ASM图后，可直接采用VHDL语言描述控制器。
第7章 数字系统设计基础
7.1 数字系统概述
7.2 数字系统设计的描述工具(4种)
7.3 控制器的设计 7.4 数字系统设计举例
采用超链接播放
第7章 数字系统设计基础
本章知识点及要求（8学时）
知识点一：数字系统概述 知识点二：寄存器传输语言 知识点三：ASM图 知识点四：数字系统设计举例 教学基本要求：
1.同步数字系统 (1)控制器和处理器同时由一个系统时钟控制； (2)输入信号都与系统时钟同步； (3)系统时钟同时到达所有存储元件的时钟脉冲 的输入端。
CP
现态 次态
有效边沿
图7.1.4 系统时钟脉冲波形
第15页
2018年10月25日7时47分
第7章 数字系统设计基础 ——7.1 概述 2.最小时钟周期 受系统响应时间的限制，存在TCP(min)。 3.异步输入信号转换成同步输入信号 (1)异步输入信号 早于或晚于当前系统时钟有效沿出现的输入信号。 (2)同步化处理的思路 ①将异步输入信号寄存； ②让同步化后的输入与当前系统时钟的有效时刻 同时出现，并保持一个时钟周期。 (3)同步化电路（以单脉冲电路为例）
优点： 可以继承使用经过验证的、成熟的部件与子系统， 利用真值表、卡诺图、逻辑方程、状态图和状态表等 从而可以设计重用，提高设计生产率。 工具进行分析和设计。 缺点：设计思想受控于现成可用的元件，不容易实现系统 化的、清晰易懂的以及可靠性高、可维护性好的设计。
第13章 数字系统设计基础
相应的仿真验证问题。
表13-1 传统设计方法和EDA设计方法的比较
传统设计方法 自下而上 手动设计 软、硬件分离 原理图方式设计 系统功能固定 不宜仿真 难测试修改 模块难移植共享 设计周期长 EDA设计方法 自上而下 自动设计 打破软硬件屏障 原理图、硬件描述语言等多种设计方式 系统功能易改变 易仿真 易测试修改 设计工作标准化，模块可移植共享 设计周期短
控制信号 条件信号
输出电路
输出信号
输入指令 使能信号
控制器
时钟信号
输出指令
时钟电路
图13-2
数字系统结构框图
● 输入/输出电路是整个数字系统对外信号交流的接 口，是完成将物理量转化为数字量或将数字量转化为物 理量的功能部件。 ● 数据处理器主要完成数据的采集、存储、运算和传 输等功能。 ● 控制器是执行数字系统算法的核心，具有记忆功能， 一般为时序系统。控制器负责规定算法的步骤，在每一 个计算步骤给数据处理器发出命令信号，同时接收来自 数字处理器的状态变量，确定下一个计算步骤，以确保 算法按正确的次序实现。
（5）在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势。
（6）高可靠性。
应用实例1
自动售货机
投币信号 处理模块
投币信号
功能控制模块
输出信号（饮料、找钱）
图13-5 自动售货机控制系统方框图
设定逻辑变量： 设投币信号A、B为输入逻辑变量，投入一枚一元硬币时 用A=1表示，未投入时A=0。投入一枚五角硬币用B=1表示， 未投入时B=0； 设矿泉水和找钱为两个输出变量，分别用Z和Y表示，给 出矿泉水时Z=1，不给时Z=0，找回一枚五角硬币时Y=1，不 找时Y=0。
13.5.1 状态机的基本构成及描述方式
8数字系统设计习题解答
A．字母
B．数字
C．字母或数字
D．下划线
23． 在 VHDL 中，目标信号的赋值符号是
。
A． =：
B．=
C． ：=
D．<=
习题
1．说明自顶向下的设计方法及步骤。 首先从系统设计入手，在顶层将整个系统划分成几个子系统，然后逐级向下，再将每 个子系统分为若干功能模块，每个功能模块还可以继续向下划分成子模块，直至分成许多 最基本模块实现。 2.说明 CPLD I/O 控制块的功能。 I/O 控制块允许每个 I/O 引脚单独地配置为输入、输出和双向工作方式。所有 I/O 引脚 有一个三态缓冲器，它控制的信号来自一个多路选择器，可以选择全局输出使能信号中的 一个或者直接连接到地（GND）或电源（Vcc）上。当三态缓冲器的控制端接地时，输出 为高阻态，此时 I/O 引脚可用作专用输入引脚。当三态缓冲器的控制端接高电平（Vcc）时， 输出被使能 3.以 Cyclone IV 系列 FPGA 为例，逻辑单元 LE 能否同时实现组合逻辑电路和时序逻 辑电路？ 从图 8.2-18 可知，LUT 输入除了来自互连阵列，也来自触发器的输出，也就是说触发 器的输出反馈到 LUT 的输入端，便于构成计数器、状态机等时序电路。LUT 的输出可以 直接送到互连阵列，触发器的输入也可以不来自 LUT 的输出，而来自触发器链输入。LUT 和触发器可以独立工作，这意味着一个逻辑单元可以同时实现组合电路和时序电路。 4.CPLD 和 FPGA 有什么不同？ FPGA 可以达到比 CPLD 更高的集成度，同时也具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 FPGA 更适合于触发器丰富的结构，而 CPLD 更适合于触发器有限而积项丰富的结构。 在编程上 FPGA 比 CPLD 具有更大的灵活性；CPLD 功耗要比 FPGA 大；且集成度越高 越明显；CPLD 比 FPGA 有较高的速度和较大的时间可预测性，产品可以给出引脚到引脚 的最大延迟时间。CPLD 的编程工艺采用 E2 CPLD 的编程工艺，无需外部存储器芯片，使 用简单，保密性好。而基于 SRAM 编程的 FPGA,其编程信息需存放在外部存储器上，需
数字系统设计
7.1.3 1. 数字系统的总体方案 数字系统的总体方案的优劣直接关系到整个数字系统的质量
与性能， 需要根据系统的功能要求、使用要求及性能价格比周密 思考后确定。 下面通过两个具体实例进行说明。
【例7-1】某数字系统用于统计串行输入的n位二元序列X中 “1”的个数，试确定其系统方案。
解 该数字系统的功能用软件实现最为方便， 但此处仅讨论 硬件实现问题。
st X
Q
CP2
位 数计 数 器
CP
控 制器
CLR
CP1
“ 1”数 计 数 器
do ne
“ 1”数 输 出
图 7 - 3 “1”数统计系统结构框图
该系统的大致工作过程如下： 系统加电时，系统处于等待状 态，即当st=0时，系统不工作；当st=1时，系统启动工作，控制器 输出CLR有效，将两个计数器清0，同时置输出状态信号done无效。
数字系统设计
7.1 数字系统设计概述 7.2 控制子系统的设计工具 7.3 控制子系统的实现方法 7.4 数字系统设计举例
7.1 数字系统设计概述
1. 什么是数字系统
在数字电子技术领域内，由各种逻辑器件构成的能够实现某 种单一特定功能的电路称为功能部件级电路，例如前面各章介绍 的加法器、 比较器、 译码器、数据选择器、计数器、移位寄存器、 存储器等就是典型的功能部件级电路， 它们只能完成加法运算、 数据比较、译码、数据选择、计数、移位寄存、数据存储等单一 功能。 而由若干数字电路和逻辑部件构成的、能够实现数据存储、 传送和处理等复杂功能的数字设备，则称为数字系统(Digital System)。电子计算机就是一个典型的复杂数字系统。
2 . 数字系统的逻辑划分
由于数据子系统和控制子系统的功能不同， 因此， 数字系 统的逻辑划分并不太困难。凡是有关存储、 处理功能的部分， 一律纳入数据子系统； 凡是有关控制功能的部分，一律纳入控 制子系统。逻辑划分后，就可以根据功能需要画出整个系统的结 构框图。
数字电路与系统设计(实验八)同步时序电路逻辑设计
实验八同步时序电路逻辑设计一、实验目的：1．掌握同步时序电路逻辑设计过程。
2．掌握实验测试所设计电路的逻辑功能。
3．学习EDA软件的使用。
二、实验仪器：序号仪器或器件名称型号或规格数量1 逻辑实验箱 12 万用表 13 双踪示波器 14 74LS194 15 74LS112 16 74LS04 17 74LS00 18 74LS86 19 74LS10 1三、实验原理：同步时序电路逻辑设计过程方框图如图8-1所示。
设计要求状态转移图状态转移表状态化简状态分配选择触发器激励方程、输出方程逻辑电路图8-1其主要步骤有：1．确定状态转移图或状态转移表根据设计要求写出状态说明，列出状态转移图或状态转移表，这是整个逻辑设计中最困难的一步，设计者必须对所需要解决的问题有较深入的理解，并且掌握一定的设计经验和技巧，才能描绘出一个完整的、较简单的状态转移图或状态转移表。
2．状态化简将原始状态转移图或原始状态转移表中的多余状态消去，以得到最简状态转移图或状态转移表，这样所需的元器件也最少。
3．状态分配这是用二进制码对状态进行编码的过程，状态数确定以后，电路的记忆元件数目也确定了，但是状态分配方式不同也会影响电路的复杂程度。
状态分配是否合理需经过实践检验，因此往往需要用不同的编码进行尝试，以确定最合理的方案。
4．选择触发器通常可以根据实验室所提供的触发器类型，选定一种触发器来进行设计，因为同步时序电路触发器状态更新与时钟脉冲同步，所以在设计时应尽量采用同一类型的触发器。
选定触发器后，则可根据状态转移真值表和触发器的真值表作出触发器的控制输入函数的卡诺图，然后求得各触发器的控制输入方程和电路的输出方程。
5．排除孤立状态理论上完成电路的设计后，还需检查电路有否未指定状态，若有未指定状态，则必须检查未指定状态是否有孤立状态，即无循环状态，如果未指定状态中有孤立状态存在，应采取措施排除，以保证电路具有自启动性能。
经过上述设计过程，画出电路图，最后还必须用实验方法对电路的逻辑功能进行验证，如有问题，再作必要的修改。
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第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件 图8－1 存储器分类
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
RAM是易失性存储器(Volatile Memory)。易失性存储器在 掉电后，存储在其中的信息会很快消失。根据存储数据的原理 不同，RAM又分为静态随机存取存储器 SRAM (Static RAM)和动 态随机存取存储器DRAM (Dynamic RAM)。SRAM利用双稳态存储 数据，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据，其具有较 高的性能，但它的集成度较低。而DRAM利用电荷存储数据，每 隔一段时间就要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，其
图8－2给出了存储器读/写时序的示意图。
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件 图8－2 存储器读/写时序示意图
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3) 要实现一个N×M的存储器，最简单的方法是把它们存入到 连续的单元中，如图8－3
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件 图8－3 存储器的基本结构
N=2K根选择线，任 何时候，只有一根选择线有效。这样，从存储器芯片的管脚来 看，100万(220) 根选择线需要20根地址线，从而解决了存储
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
通常情况下，存储器中的字数远远多于每个字存储的位数。 按照上述方式组织存储单元将使存储器变得长而窄，导致存储 器芯片设计变得比较困难。因此，在存储器的芯片结构中通常 是将多个字放在一个行中，这样，一根选择线就同时选中多个 字。为了从这多个字中再选择出所需要的字，则再加上一个称 为列译码的额外电路，地址则被划分成列(A0~AK-1)地址、行地 址(AK~AL-1)，使得行地址可读写一行的存储单元，而列地址则 从所选择的行存储单元中找出一个所需要的字， 如图8－4所示。
半导体存储技术是PLD编程技术的基础，本章将介绍半导体
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
8.1
1. 目前所使用的各种半导体存储器，从存取功能上可以分为 只读存储器ROM(Read Only Memory)和读写存储器RWM(Read Write Memory)，由于历史的原因，随机存取的RWM也称为随 机存取存储器RAM(Random Access Memory)。注意，大多数的 ROM也是随机存取的。 按照存储功能划分的存储器的分类如图8－1
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
SRAM用途非常广泛，可用于个人计算机、工作站和路由器； 可用于各类嵌入式系统中，如玩具、数码相机和手提电话等消 费类电子以及汽车电子中；还可以用于LCD显示屏以及打印机等 其它众多类型的电子产品中。DRAM
ROM是非易失性存储器(Nonvolatile Memory)，存储在其中 的信息在掉电后仍然存在，主要用于计算机、航空、远程通信 和消费类电子产品中，来存储程序和微代码。非易失性存储 器中所存储的数据信息理论上可以是永久不变的。
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
对这些单元的访问，可以通过一个选择线S0~Sn-1实现每次 访问一个单元。这种方法虽然简单，但是当存储器比较大，例 如实现一个1 M×8存储器时，则需要100万个选择信号，这么多 的信号不利于芯片的管脚封装。为了减少这些选择信号，可以 通过一个译码器来实现。当通过一个二进制的地址(A0~AK-1)访
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
8.1 半导体存储器综述 8.2 易失性存储器 8.3 非易失存储器 8.4 存储器的扩展 8.5 可编程逻辑器件简介 习题
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
半导体存储器(Semiconductor Memory)是一种能存储大量 二值信息(或称为二值数据)的电子数据存储元件，是用半导体 集成电路实现的。随着半导体技术发展，很多集成电路产品中 已经集成了半导体存储器。各种各样的半导体存储器集成电路 IC(Integrated Circuit)是计算机中必不可少的组成部分， 是集成电路最主要的产品之一，广泛地应用于各种电子产品中。
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
2. 1) 容量 在不同的抽象层次上可以用不同的方式表示一个存储单元 的容量，电路设计者用位(bit)表示存储器容量，位数即存储器 所需要的单元数。芯片设计者用字节(byte)或者字节的 倍数，即千字节(Kbyte)、兆字节(Mbyte)和吉字节(Gbyte)以及 太字节(Tbyte)表示存储量， 1 Tbyte=103 Gbyte=106 Mbyte=109 Kbyte。而在系统层，则可以用“字数×字宽”表示， 字代表基本的运算单位，例如256×16表示有256个单元，每个 单元是16
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
ROM又分为掩膜ROM、可编程PROM(Programmable ROM)、可 擦除可编程EPROM(Erasable PROM)和电可擦除可编程 EEPROM(Electronic EPROM)。EPROM的擦除是用紫外光完成的。 FLASH(快闪存储器)的全称是FLASH EEPROM，它也属于电可擦除 可编程ROM的一类，因此我们也将其归为 ROM
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
也可以对存储器按照存储方式进行分类，大部分是可以随 机访问的，而有些存储器则是按照顺序访问的，例如先进先出 的FIFO，先进后出的FILO等等。从制造工艺上又可以把存储器 分为双极型和MOS型。MOS工艺电路，尤其是CMOS工艺电路具有 功耗低、集成度高的优点，所以目前大容量的存储器都是采用 MOS
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件
可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)是数字 集成电路家族中的一类特殊成员，其特性是可以根据设计要求， 通过特殊的硬件编程语言，对器件进行编程，并通过特定的装 置，将编程信息写入到器件，实现设计要求。很多可编程器件 可以反复编程，从而实现电路可重构(Reconfigurable)
第8章 半导体存储器与可编程逻辑器件 2) 读/写参数 存储器的读/写参数是存储器最重要的参数之一，只有按照 严格的时序对存储器进行读/写，才能保证存储器的工作正确。
写入时间：从提出写请求到最终把数据写入到存储器之间
读出时间：从提出读请求到数据在输出端上有效之间的时
读/写周期：前后两次读或两次写之间所要求的最小时间间